金属的な量子二次元三角格子反強磁性体に対する系統的な電荷ドーピングと物性研究

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K05515
• 研究機関: 福井大学
• 研究代表者: 菊池 彦光 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (50234191)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 反強磁性体 / スピンフラストレーション

研究実績の概要

本研究では、金属的電気伝導性を示す S = 1/2 二次元三角格子反強磁性体 Ag2NiO2に対して、従来の高圧合成法ではなく水熱合成法による簡便かつ低コストな 方法で電荷ドーピングを行った試料を作成し、ドーピングに対する磁性、電気伝導性変化を系統的に調べることで、スピンフラストレーションが伝導性に与える 影響を実験的に検討する事を目的としている。今年度は当初の計画通り、Ag2NiO2および関連物質の試料合成および得られた試料の磁気的、電気的物性測定による物性研究を行った。昨年試行的に行った電荷ドーピングの試みも継続的に行った。昨年度、イオンサイトにイオン価の異なるイオン種として、Hg,Cd置換を試みた。Hgはある程度置換するが、Cdイオンは置換しないことがわかった。今年度はCaイオンによる置換を試みた。
一方、物性測定結果がドーピング量と必ずしも相関しない場合があることが示された。その原因の一つとして、試料作成において、銀の微粒子が析出することがあげられる。他元素をドープするのではなく、Ag2NiO2とAgNiO2との中間体（Ag1+xNiO2 (0<x<1))の作成を試みた。なお、試料評価は粉末X線回折により行った。
2019年になって、本研究も対象としているニッケル酸化物Nd1-xSrxNiO2が超伝導状態を示すことを示す論文が出版された。当該化合物の物性は不明点も多いが、希土類元素であるNd(あるいはランタノイド）のｆ電子が超伝導発現に対して重要な役割を果たしていると思われる。同じく、二次元ニッケル酸化物であるAg2NiO2やAgNiO2に対する希土類元素ドーピングを試みた。今のところ、均一相は得られていないので、物性測定はまだ行っていない。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当該年度においては、二次元三角格子反強磁性体Ag2NiO2及び関連物質について、水熱合成による試料合成とその評価を行い、磁化率および電気抵抗といった巨視的な物性測定および磁気共鳴手法を用いた微視的測定を行うことを目標としていた。超伝導発現を目指した、元素置換による電荷ドーピングを継続的に行った。様々なカチオン、アニオンによる置換を試みたが、いまのところ、ドーパントとして適切なイオン種を見いだすことはできていない。また、微視的測定に適当な試料合成にはいたっていない。昨年度、磁化率測定に不可欠なSQUID磁力計(MPMS)にトラブルが生じ、修理を行った。ところが、修理を行ったところとは別個所にトラブルが生じ、実質3ヶ月程度全く測定ができなかった。また、一昨年度以来、液体ヘリウムの供給が世界的に逼迫しており、研究遂行に必要な量を確保することが更に難しくなってきた。加えて、今年度に入ってからは、COVID-19（新型コロナウイルス感染症）の世界的流行を背景として国内外移動や研究活動が大幅に制限されたため、研究の進捗が遅れている。

今後の研究の推進方策

当初予定では、昨年度が最終年度であったが、COVID-19や液体ヘリウム供給の逼迫等の外部要因ならびに実験装置トラブルや微視的測定に適した試料合成の困難さのため、今年度一年間、研究期間を延長することとした。MPMS（磁化測定装置）は昨年度中に修理が完了したので、今年度は順調な測定が可能なはずである。液体ヘリウム供給に関しては、学内の寒剤供給担当セクションに対する大学の援助を仰ぐなどの努力により、ある程度見通しがついている。COVID-19については一短期間に解決するとは思えないので与えられた条件として対応していかざるを得ない。今年度は、Ag2NiO2とAgNiO2に対する電荷ドーピングに関して得られた知見、関連物質であるAgCoO2に対して得られた結果をまとめていく。一方、本研究が対象としている二次元フラストレートニッケル酸化物と類似点の多いNd1-xSrxNiO2において、2019年に超伝導が見いだされた。この結果は、本研究に対しても極めて示唆的であり、希土類元素（Ｎｄ等）の有するｆ電子とニッケルの３ｄ電子との相関、スピンゆらぎによる超伝導発現がAg2NiO2でも期待できる。最終年度ではあるが、緊急性がある課題として、Ag2NiO2、AgNiO2に対する希土類元素置換を試みていく。

次年度使用額が生じた理由

日本物理学会第75回年次大会(2020年)において研究成果発表を行うために旅費分の予算を残していたが、新型コロナウイルス感染症(COVID-19)の拡大予防のために、物理学会の現地開催が中止 となった。液体ヘリウム供給の逼迫状況、装置の不具合などによる研究進捗の遅れも考慮し、予算の有効活用のために、補助事業期間延長承認申請を行った。今年度、本予算および他の自己資金に基づいて研究を遂行する。

研究成果

• [雑誌論文] Thermal Conductivity and Magnetic Phase Diagram of CuB2O4 (2019)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kawamata, Naoki Sugawara, Siyed Mohammad Haidar, Tadashi Adachi, Takashi Noji, Kazutaka Kudo, Norio Kobayashi, Yutaka Fujii, Hikomitsu Kikuchi, Meiro Chiba, German A. Petrakovskii, Mikhail A. Popov, Leonard N. Bezmaternykh, Yoji Koike
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 88 ページ: 114708(6)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.88.114708
  • 査読あり
• [学会発表] アルキル基インターカレートしたハニカム格子反強磁性体KNiAsO4の磁気秩序 (2020)
  • 著者名/発表者名: 菊池彦光, 玉村亮太, 藤井裕, 松尾晶, 金道浩一
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] ダイマー系化合物CoSeO3・2H2Oの高周波ESR測定Ⅱ (2020)
  • 著者名/発表者名: 船越風太, 齋藤佑, 原茂生, 櫻井敬博, 高橋英幸, 大久保晋, 太田仁, 菊池彦光, 藤井裕
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] 3He-4He希釈冷凍機を用いたミリ波帯超低温ESR/NMR測定装置の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石川裕也, 藤井裕, 大矢健太, 三浦俊亮, 福田昭, 浅野貴行, 小泉優太, 光藤誠太郎, 水崎隆雄, 松原明, 菊池彦光, Soonchil Lee, Sergey Vasiliev, 山森英智
  • 学会等名: 日本赤外線学会
• [学会発表] Progress on the Development of Graphene Based Materials for the Millimeter Wave Applications (2019)
  • 著者名/発表者名: La Agusu, Seitaro Mitsudo, Yutaka Fujii, Yuya Ishikawa, Nawate Tomoki, Yamamoto Yuuta, Tsunehiro Omija, Hikomitsu Kikuchi
  • 学会等名: Japan-China Bilateral Symposium on Technology
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Meanderline Coils for Millimeter-Wave ESR/NMR Double Magnetic Resonance Measurements of Thin Samples (2019)
  • 著者名/発表者名: 石川裕也、藤井裕、小泉優太、大見謝恒宙、福田昭、松原明、水崎隆雄、Soonchil Lee、小林英一、菊池彦光、光藤誠太郎
  • 学会等名: 2019ISMAR EUROMAR Joint Conference GDCh FGMR Discussion Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 福井大学におけるミリ波帯磁気共鳴装置開発の取り組みII (2019)
  • 著者名/発表者名: 石川裕也, 藤井裕, 光藤誠太郎, 浅野貴行, 大見謝恒宙, 堂野壱暉, 福田昭, 水崎隆雄, 松原明, 山森英智, Soonchil Lee, Sergey Vasiliev,菊池彦光
  • 学会等名: 第六回西日本強磁場科学研究会
• [学会発表] ハニカム格子反強磁性体 KNiAsOO4の単結晶を用いた磁化測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 菊池彦光, 藤井裕, 松尾晶, 金道浩一
  • 学会等名: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [学会発表] 超低温における希薄リンドープシリコンの31P動的核偏極核磁気共鳴信号の観測II (2019)
  • 著者名/発表者名: 石川裕也, 藤井裕, 小泉優太, 大見謝恒宙, 笈田智輝, 福田昭, 光藤誠太郎, 菊池彦光
  • 学会等名: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [学会発表] ダイマー系化合物CoSeO3・2H2Oの高周波ESR測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 船越風太, 齋藤佑, 原茂生, 櫻井敬博, 大久保晋, 太田仁, 藤井裕D 加藤捷豊, 菊池彦光
  • 学会等名: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [学会発表] ミリ波二重磁気共鳴測定のための平面型NMRコイルの最適化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 笈田智輝, 大見謝恒宙, 大浦拓実, 石川裕也, 藤井裕, 光藤誠太郎, 小林英一, 菊池彦光
  • 学会等名: 第58回電子スピンサイエンス学会年会(SEST2019)
• [学会発表] 遠赤外ESR/NMR二重磁気共鳴測定のための平面型NMRコイルの開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 笈田智輝, 大見謝恒宙, 大浦拓実, 石川裕也, 藤井裕, 光藤誠太郎, 小林英一, 菊池彦光
  • 学会等名: 日本赤外線学会研究発表会
• [学会発表] Nitrogen Doped Graphene/Mn3O4 Composites Prepared from Manganese Ores as High Capacity Anode of Lithium-Ion Batteries (2019)
  • 著者名/発表者名: La Agusu, Alimin, La Ode Ahmad, Takdir Anis, Muhammad Nurdin, Yuya Ishikawa, Yutaka Fujii, Hiromitsu Kikuchi, Seitaro Mitsudo
  • 学会等名: International Conference on Science and Its Application for Sustainable Development 2019 (ICOSIAS 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Mechanical Properties of Polyurethane Slab Decorated with Reduced Graphene Oxide for Lightweight Protective Applications: Preliminary Study (2019)
  • 著者名/発表者名: La Agusu, Alimin, Wa Ode Sukmawati Arsyad, Wisnu Ari Adi, Yuya Ishikawa, Yutaka Fujii, Hiromitsu Kikuchi, Seitaro Mitsudo
  • 学会等名: International Conference on Science and Its Application for Sustainable Development 2019 (ICOSIAS 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Graphene Based Advanced Materials at Halu Oleo University: Present Status and Future Plan (2019)
  • 著者名/発表者名: La Agusu, Alimin, Wa Ode Sukmawati Arsyad, La Ode Ahmad, Muhammad Nurdin, M. Zakir Muzakkar, Thamrin Aziz, I Nyoman Sudiana, Yuya Ishikawa, Yutaka Fujii, Hikomitsu Kikuchi, Seitaro Mitsudo
  • 学会等名: International Conference on Science and Its Application for Sustainable Development 2019 (ICOSIAS 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] 超低温・高周波領域におけるmeanderlineコイルを用いたSi:Pの31P-DNP-NMR測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石川裕也, 藤井裕, 小泉優太, 大見謝恒宙, 笈田智輝, 福田昭, 小林英一, 光藤誠太郎, 菊池彦光
  • 学会等名: 物性研短期研究会 強磁場コラボラトリーによる強磁場科学の新展開～光科学との融合も視野にいれて～
• [学会発表] ESR/NMR二重磁気共鳴測定のための平面型コイルの最適化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 橋本樹，笈田智輝，大見謝恒宙，大浦拓実，石川裕也，藤井裕，光藤誠太郎，小林英一，菊池彦光
  • 学会等名: 2019年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [学会発表] ミリ波二重磁気共鳴測定に向けた平面型NMRコイルの最適化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 笈田智輝, 大見謝恒宙, 橋本樹, 藤井裕, 石川裕也, 光藤誠太郎, 小林英一, 菊池彦光
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] Quantum magnetism in natural minerals (2019)
  • 著者名/発表者名: 菊池彦光
  • 学会等名: 2019 XUT annual graduate conference and international academic symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum magnets found in natural mineral (2019)
  • 著者名/発表者名: 菊池彦光
  • 学会等名: International conference on science and mathematics2019
  • 国際学会 / 招待講演